二氧化碳PVT關系測定實驗指導書

一、實驗目的
1、了解CO₂臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認識。
2、增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。
3、掌握CO₂的p-v-t關系的測定方法，學會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。
4、學會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。
二、實驗內(nèi)容
1、測定CO₂的p-v-t關系。在p-v坐標系中繪出低于臨界溫度（t=20℃）、臨界溫度（t=31.1℃）和高于臨界溫度（t=50℃）的三條等溫曲線，并與標準實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。
2、測定CO₂在低于臨界溫度（t=20℃、27℃）飽和溫度和飽和壓力之間的對應關系，并與圖四中的t_s-p_s曲線比較。
3、觀測臨界狀態(tài)
（1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。
（2）氣液整體相變現(xiàn)象。
（3）測定CO₂的p_c、v_c、t_c等臨界參數(shù)，并將實驗所得的v_c值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡述其差異原因。
三、實驗設備及原理
整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護罩等三大部分組成（如圖一所示）。

圖一  試驗臺系統(tǒng)圖

圖二  試驗臺本體
試驗臺本體如圖二所示。其中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機；4—水銀；5—密封填料；6—填料壓蓋；7—恒溫水套；8—承壓玻璃杯；9—CO₂空間；10—溫度計。、
對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v)    （1）
本實驗就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO₂的p-v-t關系，從而找出CO₂的p-v-t關系。
實驗中，由壓力臺送來的壓力由壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進入預先裝了CO₂氣體的承壓玻璃管，CO₂被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。
實驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。
四、實驗步驟
1、按圖一裝好實驗設備，并開啟實驗本體上的日光燈。
2、恒溫器準備及溫度調(diào)節(jié)：
（1）入恒溫器內(nèi)，注至離蓋30～50mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使水循環(huán)對流。
（2）使用電接點溫度計時，旋轉(zhuǎn)電接點溫度計頂端的帽形磁鐵，調(diào)動凸輪示標，使凸輪上端面與鎖要調(diào)定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動。使用電子控溫裝置時，按面板溫度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整溫度點。
（3）視水溫情況，開、關加熱器，當水溫未達到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當指示燈時亮時滅閃動時，說明溫度已達到所需要恒溫。
（4）觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點溫度計標定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認為承壓玻璃管內(nèi)的CO₂的溫度處于所標定的溫度。
（5）當所需要改變實驗溫度時，重復（2）～（4）即可。
3、加壓前的準備：
因為壓力臺的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能使壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設備。所以，務必認真掌握，其步驟如下：
（1）關閉壓力表及其進入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進油閥。
（2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時，壓力臺油缸中抽滿了油。
（3）先關閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進入本體油路的兩個閥門。
（4）搖進活塞螺桿，使本體充油。如此交復，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。
（5）再次檢查油杯閥門是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進行實驗。
4、作好實驗的原始記錄：
（1）設備數(shù)據(jù)記錄：
儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。
（2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：
室溫、大氣壓、實驗環(huán)境情況等。
（3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO₂質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準，因而實驗中采用間接辦法來確定CO₂的比容，認為CO₂的比容V與其高度是一種線性關系。具體方法如下：
a）已知CO₂液體在20℃，9.8MPa時的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m³/kg。
b）實際測定實驗臺在20℃，9.8Mpa時的CO₂液柱高度Δh₀（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標記方法）
c）∵V（20℃，9.8Mpa）=
 ∴
其中：K——即為玻璃管內(nèi)CO₂的質(zhì)面比常數(shù)。
所以，任意溫度、壓力下CO₂的比容為：
    _{（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意溫度、壓力下水銀柱高度。
h0——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。}
5、測定低于臨界溫度t=20℃時的定溫線。
（1）將恒溫器調(diào)定在t=20℃，并保持恒溫。
（2）壓力從4.41Mpa開始，當玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應足夠緩慢地搖進活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準。
（3）按照適當?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。
（4）注意加壓后CO₂的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應關系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。
（5）測定t=25℃、27℃時其飽和溫度和飽和壓力的對應關系。
6、測定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。
（1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點處找出臨界壓力p_c和臨界比容v_c，并將數(shù)據(jù)填入表1。
（2）觀察臨界現(xiàn)象。
a）整體相變現(xiàn)象
由于在臨界點時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時當壓力稍在變化時，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。
b）汽、液兩相模糊不清的現(xiàn)象
處于臨界點的CO₂具有共同參數(shù)（p,v,t），因而不能區(qū)別此時CO₂是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個液體又是接近氣態(tài)的液體。下面就來用實驗證明這個結論。因為這時處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進行，使CO₂壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的。現(xiàn)在，我們按絕熱過程來進行。首先在壓力等于7.64Mpa附近，突然降壓CO₂狀態(tài)點由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO₂出現(xiàn)明顯的液面。這就是說，如果這時管內(nèi)的CO₂是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當我們在膨脹之后，突然壓縮CO₂時，這個液面又立即消失了。這就告訴我們，這時CO₂液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既然，此時的CO₂既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點附近。可以這樣說：臨界狀態(tài)究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點附近，飽和汽、液模糊不清的現(xiàn)象。
7、測定高于臨界溫度t=50℃時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。

五、實驗結果處理和分析
1、按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標系中畫出三條等溫線。
2、將實驗測得的等溫線與圖三所示的標準等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。
3、將實驗測得的飽和溫度與壓力的對應值與圖四給出的t_s-p_s曲線相比較。
 
CO₂等溫實驗原始記錄   表1

t=20℃				t=31.1℃（臨界）				t=50℃
p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現(xiàn)象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現(xiàn)象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	現(xiàn)象
進行等溫線實驗所需時間
分鐘				分鐘				分鐘

圖三   標準曲線

4、將實驗測定的臨界比容V_c與理論計算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其原因。
臨界比容V_c[m³/Kg]    表2

標準值	實驗值	Vc=RTc/Pc	Vc=3/8	RT/Pc
0.00216